三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括基本陣列單元，基本陣列單元由四根等長的桿件構(gòu)成，四根等長的桿件包括豎直桿和三根斜橫桿，斜橫桿包括第一斜橫桿、第二斜橫桿和第三斜橫桿，第一斜橫桿、第二斜橫桿、第三斜橫桿的里端節(jié)點均與豎直桿底端節(jié)點連接，整個基本陣列單元呈金剛石晶體碳原子結(jié)構(gòu)狀，所述基本陣列單元從上至下層狀設(shè)置，所有的第一斜橫桿平行，所有的第二斜橫桿平行，所有的第三斜橫桿平行，每個斜橫桿的外端節(jié)點下側(cè)均連接其下層中一個基本陣列單元的豎直桿的頂端節(jié)點，同層中外端指向同一位置的所有斜橫桿的外端節(jié)點相連接，整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)呈正三棱錐狀。本發(fā)明是一種節(jié)點少、剛度大、受力合理的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
【專利說明】三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，新型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，它是借鑒金剛石晶體合理的結(jié)構(gòu)組成規(guī)律，而創(chuàng)造的一種新型的空間結(jié)構(gòu)形式，它主要應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，具體可用于各種需要大跨度、大空間的鋼結(jié)構(gòu)建筑中。
【背景技術(shù)】
[0002]大跨空間結(jié)構(gòu)在廠房、體育場館、會展中心、劇院、車站和機場等各類公共建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在國際性的博覽會、奧運會、亞運會等活動中，各國都以新型的空間結(jié)構(gòu)來展示本國的建筑科學(xué)技術(shù)水平，大跨度空間結(jié)構(gòu)已成為一個國家建筑科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。
[0003]迄今為止，國內(nèi)外的學(xué)者在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，提出各種新型的空間結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)組成的單元進行分類，這些結(jié)構(gòu)共有39種類型，其中最新的兩種是我國“水立方”游泳中心使用的多面體空間剛架結(jié)構(gòu)和張弦氣肋梁結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)點少、剛度大、受力合理的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括基本陣列單元，基本陣列單元由四根等長的桿件構(gòu)成，四根等長的桿件包括豎直桿和三根斜橫桿，斜橫桿包括第一斜橫桿、第二斜橫桿和第三斜橫桿，第一斜橫桿、第二斜橫桿、第三斜橫桿的里端節(jié)點均與豎直桿底端節(jié)點連接，整個基本陣列單元呈金剛石晶體碳原子結(jié)構(gòu)狀，所述基本陣列單元從上至下層狀設(shè)置，所有的第一斜橫桿平行，所有的第二斜橫桿平行，所有的第三斜橫桿平行，每個斜橫桿的外端節(jié)點下側(cè)均連接其下層中一個基本陣列單元的豎直桿的頂端節(jié)點，同層中外端指向同一位置的所有斜橫桿的外端節(jié)點相連接，整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)呈正三棱錐狀。
[0006]所有位于三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)側(cè)棱邊的基本陣列單元的豎直桿頂端節(jié)點與第一斜橫桿外端節(jié)點之間、豎直桿頂端節(jié)點與第二斜橫桿外端節(jié)點之間以及豎直桿頂端節(jié)點與第三斜橫桿外端節(jié)點之間均連接有脊桿。
[0007]所有位于三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)底邊的第一斜橫桿外端節(jié)點與第二斜橫桿外端節(jié)點之間、第三斜橫桿外端節(jié)點與第二斜橫桿外端節(jié)點之間以及第一斜橫桿外端節(jié)點與第三斜橫桿外端節(jié)點之間均連接有底邊桿。
[0008]所述全部節(jié)點之間的連接均為鉸接。
[0009]所述全部節(jié)點之間的連接均通過螺栓球鉸接。
[0010]本發(fā)明所述的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，具有如下有益效果:
1.在一個基本陣列單元中，與同一節(jié)點一豎直桿的底端節(jié)點相連接的桿件數(shù)目只有4根，桿件數(shù)目少。如在48m跨度的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，節(jié)點數(shù)為1279，單元數(shù)只需2234個，單元數(shù)與節(jié)點數(shù)的比值約為1.75。若建立同樣幾何外形和尺度的正放四角錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(目前工程中最常用的結(jié)構(gòu)形式)，節(jié)點數(shù)同為1279個，單元數(shù)則需要4872個，單元數(shù)與節(jié)點數(shù)的比值約為3.81，大大高于本發(fā)明所述的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
[0011]2.從靜力分析結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)截面配置較均勻，整體剛度較大，受力合理，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)好。
[0012]3.節(jié)點采用鉸接連接，節(jié)點的制作和施工簡單。
[0013]4.三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的基本陣列單元中，除脊桿和底邊桿外，豎直桿、第一斜橫桿、第二斜橫桿和第三斜橫桿長度均相同，桿件長度整齊劃一，便于生產(chǎn)和運輸。
[0014]5.建筑效果通透美觀。
[0015]本發(fā)明所述的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，是一種新型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，或稱為空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其理論依據(jù)如下:金剛石是摩氏硬度中唯一達到10級的礦物，是自然界中最硬的物質(zhì)。在金剛石晶體內(nèi)部，每一個碳原子都與周圍4個碳原子緊密結(jié)合，交錯整齊地排列，組成一種致密的三維結(jié)構(gòu)，從而形成牢固的結(jié)晶體，如圖1所示。正是這種致密的結(jié)構(gòu)，使得金剛石具有最大的硬度。金剛石具有最大的硬度表明金剛石晶體所包含的這種三維致密結(jié)構(gòu)是天然存在的一種十分合理有效的結(jié)構(gòu)形式。本發(fā)明是借鑒金剛石晶體結(jié)構(gòu)的空間組成規(guī)律，分別采用節(jié)點和桿件代替金剛石晶體結(jié)構(gòu)中的碳原子和原子鍵，并進行合適的空間擴展，構(gòu)造出一種性能優(yōu)秀的新型空間結(jié)構(gòu)形式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是基本陣列單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明以48m跨度為例時的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0017]實施例1:
由圖1和圖2所示的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括基本陣列單元7，基本陣列單兀7由四根等長的桿件構(gòu)成，四根等長的桿件包括豎直桿2和三根斜橫桿,斜橫桿包括第一斜橫桿3、第二斜橫桿5和第三斜橫桿8，每根桿件的端點即構(gòu)成該桿件的節(jié)點，第一斜橫桿3、第二斜橫桿5、第三斜橫桿8的里端節(jié)點均與豎直桿底端節(jié)點9連接，整個基本陣列單元7呈金剛石晶體碳原子結(jié)構(gòu)狀，每個基本陣列單元7中的豎直桿頂端節(jié)點1、第一斜橫桿外端節(jié)點4、第二斜橫桿外端節(jié)點10和第三斜橫桿外端節(jié)點6分別位于一正三棱錐的四個頂點，并且豎直桿2、第一斜橫桿3、第二斜橫桿5和第三斜橫桿8中任意兩桿件間的夾角為109° 28,。節(jié)點之間的連接均通過螺栓球100鉸接。
[0018]所述三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由基本陣列單元7從上至下層狀設(shè)置而成，所有的第一斜橫桿3平行，所有的第二斜橫桿5平行，所有的第三斜橫桿8平行，每個斜橫桿的外端節(jié)點下側(cè)均連接其下層中一個基本陣列單元7的豎直桿頂端節(jié)點1，同層中外端指向同一位置的所有斜橫桿的外端節(jié)點相連接，整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)呈正三棱錐狀，也即呈金字塔型。
[0019]所有位于三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)側(cè)棱邊上的基本陣列單元7的豎直桿頂端節(jié)點I與第一斜橫桿外端節(jié)點4之間、豎直桿頂端節(jié)點I與第二斜橫桿5外端節(jié)點之間以及豎直桿頂端節(jié)點I與第三斜橫桿外端節(jié)點6之間均連接有脊桿101，所有連接在豎直桿頂端節(jié)點I與第一斜橫桿外端節(jié)點4之間的脊桿101共線并構(gòu)成整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的第一條側(cè)棱邊，所有連接在豎直桿頂端節(jié)點I與第二斜橫桿5外端節(jié)點之間的脊桿101共線并構(gòu)成整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的第二條側(cè)棱邊，所有連接在豎直桿頂端節(jié)點I與第三斜橫桿外端節(jié)點6之間的脊桿101共線并構(gòu)成整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的第三條側(cè)棱邊。
[0020]所有位于三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)底邊的第一斜橫桿外端節(jié)點4與第二斜橫桿5外端節(jié)點之間、第三斜橫桿外端節(jié)點6與第二斜橫桿5外端節(jié)點之間以及第一斜橫桿外端節(jié)點4與第三斜橫桿外端節(jié)點6之間均連接有底邊桿102，所有第一斜橫桿外端節(jié)點4與第二斜橫桿5外端節(jié)點之間的底邊桿102共線并構(gòu)成整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的第一條底邊，所有第二斜橫桿5外端節(jié)點與第三斜橫桿外端節(jié)點6之間的底邊桿102共線并構(gòu)成整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的第二條底邊，所有第一斜橫桿外端節(jié)點4與第三斜橫桿外端節(jié)點6之間的底邊桿102共線并構(gòu)成整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的第三條底邊。所述全部節(jié)點之間的連接均為鉸接，并且全部節(jié)點之間的連接均通過螺栓球100鉸接。
[0021]實施例2:
由圖3所示的本實施例的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，是在實施例1的基礎(chǔ)上，并以結(jié)構(gòu)為一 48m跨度的三角錐金字塔型屋蓋，現(xiàn)采用本發(fā)明所提出的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，首先對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件MSTCAD進行建模，其過程如下:在球坐標(biāo)系下以空間一點為中心，仿照金剛石晶體中碳原子的擴展方式生成相鄰的空間四個節(jié)點，中心節(jié)點與四個節(jié)點之間產(chǎn)生單元，構(gòu)成一個基本陣列單元7，這也是金剛石的一個基本晶體單元，之后再以生成的新節(jié)點為中心，以同樣的方法生成相鄰的節(jié)點和單元，依次向外展開，相當(dāng)于金剛石晶體單元不斷擴展，選取適當(dāng)?shù)暮穸?，將?nèi)部的節(jié)點和單元刪除，最終可得到如圖2所示的一種外形為三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格尺寸為3mX3m，網(wǎng)架高度為1.8371m，桿件共計2234根，其中脊線處桿件有48根，長度為3m，其余桿件長度均為1.8371m。與地接觸的上下弦共84個節(jié)點采用三向鉸支座。根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，僅考慮均布靜荷載0.8 kN/ m2，均布活荷載0.5kN/ m2及計算機自動形成的結(jié)構(gòu)自重。起控制作用的工況組合為:1.2靜+1.4活。構(gòu)件材料選用Q345鋼材，彈性模量2.06 X IO11Pa,密度7.85 X 103kg/m3,設(shè)計控制應(yīng)力為 3IOMpaο
[0022]采用滿應(yīng)力設(shè)計法進行截面設(shè)計和計算。為了便于了解這種新型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的性能，與目前工程中最常用的正放四角錐和本發(fā)明的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行了對比，其余兩種結(jié)構(gòu)所采用的材料、荷載情況、網(wǎng)格大小、支座約束等條件基本相同，結(jié)果如表I所示:
【權(quán)利要求】
1.一種三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括基本陣列單元，基本陣列單兀由四根等長的桿件構(gòu)成，四根等長的桿件包括豎直桿和三根斜橫桿，斜橫桿包括第一斜橫桿、第二斜橫桿和第三斜橫桿，第一斜橫桿、第二斜橫桿、第三斜橫桿的里端節(jié)點均與豎直桿底端節(jié)點連接，整個基本陣列單元呈金剛石晶體碳原子結(jié)構(gòu)狀，所述基本陣列單元從上至下層狀設(shè)置，所有的第一斜橫桿平行，所有的第二斜橫桿平行，所有的第三斜橫桿平行，每個斜橫桿的外端節(jié)點下側(cè)均連接其下層中一個基本陣列單元的豎直桿的頂端節(jié)點，同層中外端指向同一位置的所有斜橫桿的外端節(jié)點相連接，整個三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)呈正三棱錐狀。
2.如權(quán)利要求1所述的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于:所有位于三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)側(cè)棱邊的基本陣列單元的豎直桿頂端節(jié)點與第一斜橫桿外端節(jié)點之間、豎直桿頂端節(jié)點與第二斜橫桿外端節(jié)點之間以及豎直桿頂端節(jié)點與第三斜橫桿外端節(jié)點之間均連接有脊桿。
3.如權(quán)利要求1所述的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于:所有位于三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)底邊的第一斜橫桿外端節(jié)點與第二斜橫桿外端節(jié)點之間、第三斜橫桿外端節(jié)點與第二斜橫桿外端節(jié)點之間以及第一斜橫桿外端節(jié)點與第三斜橫桿外端節(jié)點之間均連接有底邊桿。
4.如權(quán)利要求1-3所述的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述全部節(jié)點之間的連接均為鉸接。
5.如權(quán)利要求4所述的三角錐金字塔型空間晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述全部節(jié)點之間的連接均通過螺栓球鉸接。
【文檔編號】E04B1/19GK103510617SQ201310456692
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】杜文風(fēng), 周錫彬, 謝威, 趙坤朋, 謝華深, 徐浩浩 申請人:河南大學(xué)